随着航空事业的发展，空中流量的增加使空中交通管理系统的作用显得非常重要。空管人员利用雷达为已被识别的航空器提供管制服务，可以从雷达屏幕上看到飞机的信息参数。在航管体系中，常规模式及S模式技术用于监视功能，建立在独立编址，选择询问的基础之上，信息交换是通过将上行询问内容和下行应答内容进行脉冲编码实现。是整个雷达的中心，用于产生整机同步信号和询问信号。因此，具有高优良性能询问机编码器脉冲编码信号处理技术至关重要。同时对雷达信号处理的实时性提出了严格的要求，在毫秒级的时间内完成对应答信号的处理，完成目标识别，给出目标飞行器的信息参数；同时在设备体积、功耗方面的严格要求使信号处理设备必须向小型化、智能化、可编程的趋势发展，又要求信号处理系统具有高可靠性和系统升级的需要。 现场及其相关技术是当代微技术迅速发展的产物，是一种多用途、高密度的可重复编程逻辑门阵列。与传统技术相比，FPGA不仅具有设计方便，灵活和校验快等特点，可以大大缩减研发时间，减少设计费用，降低设计风险；同时将：FPGA技术、、雷达显控界面结合的系统应用于设计高性能的雷达信号处理机，可提高系统集成度，减小规模，从而提高可靠性，无论在速度、体积方面，还是在设计的灵活性上都能适应现代雷达信号处理系统的要求。
1 航管二次雷达地面询问编码器的工作原理 1．1 编码器功能描述 航管二次雷达地面站收发系统由编码器、询问器、三部分组成。如图1所示，编码器是整个雷达的中心，它有三个作用： (1)产生整机的同步脉冲。它可以工作于外同步和内同步两种方式。当同步脉冲工作于内同步，即当二次雷达独立工作时，产生重复频率f=150～450 Hz的整机同步信号S0。当二次雷达和一次雷达配合工作时，由一次雷达提供整机同步触发信号，即外同步时，二次雷达的重复频率f2和一次雷达的重复频率 f1有以下的关系： ①当150 Hz≤f2≤450 Hz时，f2=f1； ②当450 Hz<f2≤900 Hz时，f2=1／2f1； ③当900 Hz<f2≤1 350 Hz时，f2=1／3f1。 民航规定f2≤450 Hz。重复频率的选择取决于作用距离的大小。 (2)产生各种询问模式。 在询问脉冲的调制下，产生1 030 MHz的射频脉冲，经三端送到。天线在同步脉冲的控制下，将P1，P3进入和通道，P2进入差通道。接收机在将1 090 MHz的射频应答信号转换成视频信号，送至终端装置进行处理。 1．2 编码器同步信号S0产生原理
式中：Rlmax为{zd0}询问距离；λI为询问射频波长；GI为询问天线增益；GR为应答天线增益；Prmin为应答器接收机灵敏度；Pr为地面发射机的发射功率；LI为三端环形器和馈线系统损耗；LR为应答器馈线增益。 询问周期对应S0同步信号周期。结合实际工程的参数，按照上面公式计算出询问时间每1μs对应的询问距离为150 m的比例。由人工航线监视的二次雷达的作用距离为450 km时，对应询问周期为3．5 ms；为370 km左右时，对应询问周期为2．5 ms。机场终端区域Ⅲ监视用的作用距离为140 km时，对应询问周期为0．000 9 ms。 1．3 编码器系统结构 图2所示为编码器信号处理框图。它采用雷达显控界面、和FPGA相结合的信号处理系统。对于编码器的设计主要实现上述三个功能(见1．1小节)，采用IPcore技术提取界面下传数据采集和微命令，采用分频电路产生各模块所需的时钟，依据询问命令产生同步编码信号S0。由此编码产生常规模式及其交替模式，S模式的询问信号。可用数字进行实时测量；射频组件可对编码信号进行测试并产生线性检波信号，经A／D转换后，送入 IPcore采集数字信号，并上传至界面定性显示波形。
2 编码器的询问信号格式 2．1 常规模式 按照国际民航组织的规定有六种常规询问模式，分别称为1，2，3／A，B，C，D模式，各种模式的P1与P2，P1与P3之间的时间关系如表1所示。
其中，1，2两种模式专用于xx识别询问；3／A模式用于xx和民用识别询问；C模式用于高度询问；D模式作为备用询问模式，其询问内容目前还在商议之中。这些询问模式，由间隔不同的脉冲对组成，其时间关系如表1所示。其中，{dy}个脉冲称为P1；第二个脉冲称为P2；第三个脉冲称为P3。脉冲P1， P2，P3格式为脉宽(O．8±O．1)μs，上升沿在1～5 μs之间，延迟在0．2～5μs之间。脉冲P1和P3都是通过询问通道传输的，它们之间允许不同的时间间隔。 2．2 S模式询问信号格式 图3表示S模式询问格式。前两个脉冲P1和P2的脉宽为0．8μs，间隔为2．0μs。在P2脉冲后是一个长脉冲P6，它的持续期为其脉宽，取16． 25μs或者30．25μs，其中有许多相位为反转脉冲，用其携带发射数据。P6的{zh1}24位为飞机地址，是通过全呼询问获得的。其中，{dy}个反相位于脉冲前沿后1．25μs，即P5为“同步相位反转”信号，提供给S模式应答器作为始终同步，从而对后续的数据进行对应解码；同步相位反转脉冲也用作应答信号发射的时钟参考。询问机通过计算同步相位反转脉冲的发射与接收到的{dy}个应答脉冲之间的时间间隔来测量飞机的距离。数据通过DPSK信号来发射反相位置的间隔为0．25μs，从而产生4 MHz的数据比特率。根据要求，整个发射数据的比特为56 b或者112 b。
2．3 S模式奇偶与地址 S模式P6数据位的{zh1}奇偶24 b信息通过改进的循环冗余(CRC)编码来计算，其多项式如下：
奇偶性在发射端计算，并与24个比特位飞机地址加入到信息中。在接收端，奇偶性再次被计算，并与信号中的奇偶和地址信息做比较，这样可以确定信息是否发送无误。多项式G(x)有助于错误探测和纠正，可以利用移位寄存器来实现，其电路如图4所示。前32个比特位(或长S模式的88个比特位)无修改地发送，但在其发送时，会在移位寄存器反馈端乘以G(x)。对于{zh1}循环反馈端探测信息的{zh1}24 b会被断开，并由24 b地址比特位代替。其结果就是信息的{zh1}24 b包含了24 b的奇偶区域，并与飞机地址相加再乘以G(x)。
3 编码器设计流程 编码器的FPGA设计流程图如图5所示。首先提取雷达控制界面的控制命令，判断出询问模式和询问方式(询问交替方式)。结合S0产生原理和雷达询问距离理论，用计数分频编码产生S0同步信号。 若是常规模式，在S0同步信号沿触发下，按照软件控制界面不同的控制命令，分别编码产生周期性的6种单模式(见表1)询问信号；并且产生对应的周期性提取信号，结合交替模式产生相应的编码信号。 若是S模式询问，设计流程是：首先产生S模式的前导脉冲P1，P2和数据位同步信号P5，然后判断是短S模式(P5数据位56 b)，还是长S模式(P6数据位112 b)，再调用内部的双口RAM IPcore模块进行数据采集，对s模式{zh1}24 b的飞机地址数据位进行奇偶地址校验编码，校验规则如图4所示。之后再对校验结果进行DPSK调制编码，然后按照S模式的信号格式，在数据同步位信号P5 (见图3)控制下，产生S模式询问信号。 4 询问信号的仿真波形 4．1 常规模式1：1：1交替询问信号的仿真波形 首先是同步触发信号S0的产生，由雷达显控界面人工操作改变，对应二次雷达监视的范围不同而具有不同的周期。一般S0的周期有2．5 ms，3．5 ms，0．000 9 ms 。 当S0的周期为3．5 ms时，其仿真结果如图6所示。XCV600E的FPGA时钟为40 MHz，产生周期性的S0信号。采用计数4倍、8倍、1O倍分频产生各模块所需的时钟。如果改变S0的周期，可用类似的方法产生；其次是三三交替询问模式的产生。如图6所示，在询问控制界面中，任选6种常规模式中的3种。在同步编码信号S0的上升沿进行触发，在{dy}个S0周期内产生询问模式mode_1，第二个S0周期内产生询问模式mode_2，第三个S0周期内产生询问模式mode_3 A，第四个S0周期内产生询问模式mode_1。按此规律周期性的产生即为三三交替询问模式。其中，S1_revert，S2_revert， S3_revert是循环状态机产生的周期性提取信号，分别周期性提取mode 1，mode 2，mode 3 A的编码信号，其他单模式的编码产生方式类似。
4．2 S模式CRC校验编码和译码仿真波形 依据S模式询问机编码器的P5位奇偶地址校验的多项式电路规则(见图4)，应用Matlab软件建立24个D组成的移位寄存器进行仿真。如图7所示，仿真结果中以P5。为56 b为例，data为原始的P6数据信号，data为 “11111111101101010011010100100000011011111101001100001000”序列。其中，{zh1}24 b表示飞机地址(初次获得飞机地址是由“全呼询问”获得该校验是“点名询问”方式)；encode为校验输出，其序列为 “11111111101101010011010100100000000101101010000100110000”；然后把encode作为输入按照应答器解码电路进行译码，译码结果为decode。由此发现译码结果与原始输入数据相同，保证了校验编码设计的正确性。 5 结 语 利用FPGA的高速运算能力和IPcore技术设计高性能的二次雷达地面询问编码器，不但在数据采集、信号编码时具有自适应性和可控性，而且解决了雷达信号的实时性问题，完成了多种复杂信号处理的单片FP-GA集成，有效地解决了小电路板尺寸与大存储空间的矛盾，从而提高了系统的集成性，进一步节约了资源。同时利用“软件显控界面+FPGA+”结合的架构技术使之更容易成为微型系统。(现代电子技术 作者：李建秋，张义德，李海军 电子科技大学) |
